电力现货市场下基于福利经济学原理的阻塞盈余再投资策略研究

周 波，丁 荣，徐 宁，徐 楠

(国网河北省电力有限公司经济技术研究院，石家庄 050021)

2017年，国家发展和改革委员会办公厅和国家能源局综合司联合印发《关于开展电力现货市场建设试点工作的通知》，加快组织推动电力现货市场建设工作。目前，电力现货市场建设正在全国快速推进[1-4]。随着电力现货市场建设的推进，阻塞盈余分配问题摆在了市场设计者、建设者和电网企业面前。以下采用社会总剩余量化分析方法，提出了一种可实现帕累托改进的阻塞盈余资金使用机制。

1 电力现货市场下的阻塞盈余

1.1 电力现货市场

电力现货市场是现代电力市场体系的重要组成部分，一般由日前市场、日内市场和实时市场三部分组成或部分组成，实现调度运行和市场交易有机衔接[5]。电力现货市场模式可分为分散式和集中式，这两种模式主要是中长期合约电量的执行方式不同[6]。两类市场模式各有其优缺点，也均有成功的市场作为借鉴，比如美国PJM市场就是集中式市场，而英国电力市场则为分散式市场[7]。在我国的现货市场建设中，允许2种模式并存。

1.2 电力现货市场的价格机制

电力现货交易的周期短，网络约束对交易结果也有影响，因此价格形成机制相对比较复杂。

电力现货市场价格机制主要有统一边际电价(SMP)、节点边际电价(LMP)、分区边际电价(RMP)3种[8]。这3种价格机制各有其优缺点。

1.3 电力现货市场中的阻塞盈余

在现货市场的建设过程中，应因地制宜选择适合本区域特点的价格机制。尤其是对于存在电网阻塞的地区应根据具体的阻塞情况，尽早建立分区边际电价或节点边际电价机制，在SUCU、SCED程序中内嵌节点边际电价计算功能。

阻塞盈余本质上属于位于高电价节点(或区域)的电力用户由于节点电价采用边际电价成交导致的相对于发电企业的收入之外多支付的电费[9- 11]。

图1是阻塞盈余产生的简化示意。图1中，机组A和机组B均向负荷C供电，由于线路BC传输容量的限制，导致负荷C处的节点电价被机组A抬升为0.4元/k Wh，按照节点电价的计费方式，负荷C支付电费40万元，机组A收入20万元，机组B收入15万元，从而产生了5万元的不平衡项，即阻塞盈余。

图1 阻塞盈余示意

阻塞盈余来源于用户，在PJM电力市场，采用对高于系统边际价格的用户按阻塞分量的电费比例进行返还的方式返还给电力用户，此外，还有通过金融输电权的交易机制向用户进行返还的方式[12-13]。

将阻塞盈余返还用户，不能从本质上解决电网阻塞带来的社会福利降低的问题，因此，提出设立阻塞盈余资金池，投资输电线路等基础设施建设，从而消除或降低电网阻塞，实现社会福利最大化的机制。

2 基于福利经济学原理的阻塞盈余再投资策略理论模型

福利经济学研究的是社会福利(社会总剩余)的帕累托改进以及社会福利中消费者剩余与生产者剩余的平衡问题，近年来受到了学者们普遍的关注。

在电力市场中，假设该电力市场参与竞价上网的发电商共有n个，第i个发电商第二天提供的电量报价函数为Qi=fi(P)。其中Qi为第i个发电商提供的电量;P为发电商申报的电价;fi为第i个发电商提供的报价函数，按照电力现货市场运行规则，该函数需满足单调且不递减(本文按照三段报价开展研究)。假设该电力市场参与竞价上网的发电商共有n个，则该电力系统的总电力供给函数为：

电力供给曲线形状如图2所示。

图2 电力系统的电力供给曲线

在电力现货市场交易中，用户侧参与市场交易，存在报量报价、报量不报价两种方式。目前在我国试点地区，均采用报量不报价的方式参与市场。

在电力系统不存在阻塞的情况下，供求关系如图3所示，在均衡电价P0下，供给和需求在A点达到平衡，平衡电量为Q0，三角形BP0A面积代表消费者剩余，阶梯型阴影部分面积CP0A代表生产者剩余，两者之和代表社会总剩余。

图3 电力系统的供需平衡及社会总剩余(无阻塞)

假设电力系统存在阻塞，且线路约束容量为QC，此时电力系统供求关系如图4，通过线路输送的电力受到约束，用户侧成交价格P1高于均衡价格P0，发电商成交价格P2低于均衡价格P0，生产者剩余和消费者剩余均下降，社会总剩余下降为图中P1MANP2所围成的多边形面积。此时阻塞盈余为(P1-P2)×QC，阻塞盈余即长方形面积P1MNP2。将阻塞盈余全部返还用户后，社会总剩余相比无阻塞情况下依然降低，降低量为图形MNA所围成部分的面积。

图4 电力系统的供需平衡及社会总剩余(有阻塞)

系统发生阻塞导致社会总剩余减少(社会福利降低)，将阻塞盈余全部返还用户后，社会总剩余相比无阻塞时依然减少。

因此，针对阻塞盈余费用，建议将阻塞盈余费用设立专项资金池，用于电网建设以消除线路阻塞，通过新建输电线路等措施改善电网网架结构，从而实现帕累托改进，实现社会福利最大化。

3 算例分析

3.1 基础数据

在测算中，采用简化的三节点系统为例进行测算，系统示意如图5所示。

图5 三节点系统示意

图5中，区域A为能源中心，建设有大量坑口电站等发电设施，负荷需求中心点位于区域B，负荷中心B附近的区域C建设有自备燃气轮机机组，无法从区域A获取足够电力的情况下使用区域C的自备燃气轮机进行供电，燃气轮机发电成本为0.8元/k Wh。负荷中心B的24 h负荷需求见表1。

表1 工业园区B的用电需求 MWh

电力现货市场采用中长期交易差价结算、日前市场开展全电量集中优化竞争、按照节点电价进行结算的交易模式。

线路A-B传输容量限制为600 MW。区域A和区域B距离150 km，两区域间地形均为平地。

3.2 测算对比

在无阻塞约束的情况下，工业园区B 24 h的电价水平见表2。

表2 24 h节点电价水平(无阻塞) 元/k Wh

则在无阻塞情况下，工业园区B支付的电费：

工业园区B支付的电费为780.420 2万元/d，节点A的售电收入与园区B支付的电费相同。

在有线路阻塞约束的情况下，工业园区B 24 h的电价水平见表3。

则在有阻塞情况下，工业园区B支付的电费：

有阻塞情况下工业园区B支付的电费为949.15万元/d。

表3 工业园区B 24 h节点电价水平(有阻塞) 元/kWh

在有线路阻塞约束的情况下，节点A 24 h的电价水平和售电量见表4。

表4 节点A 24 h节点电价水平(有阻塞) 元/kWh

则在有阻塞情况下，节点A收取的电费，经计算，有阻塞情况下节点A收取的电费为687.54万元/d。

在有线路阻塞约束的情况下，节点C 24 h的电价水平见表5。

表5 节点C 24 h节点电价水平(有阻塞) 元/k Wh

经计算，有阻塞情况下节点C收取的电费为51.608万元/d。

则该三节点简化电力系统每日的阻塞盈余资金为：

CB-RA-RC=949.15-687.54-51.61=210万元/日。

新建输电线路区域A-B之间距离为150 km，均为平地，新建220kV输电线路选取2 A建设方案(导线为2×300单回路，直线塔采用酒杯型铁塔，耐张塔采用干字型铁塔)，参照国家电网有限公司基建部印发的输变电工程标准参考价(2020版)，该方案单公里造价96万元/km(预算价格水平)。新建线路投资为14 400万元。

3.3 计算结果对比分析

结合上述测算结果，针对消费者剩余、生产者剩余的变化进行测算。

a.阻塞导致区域B消费者剩余变化情况以上午09：00-10：00时间段为例，在无阻塞情况下，区域B节点电价为0.6元/k Wh，存在阻塞的情况下，区域B节点电价为0.8元/k Wh。由阻塞导致的消费者剩余的减少等价于消费者电费支出的增加。

存在阻塞情况下，区域B消费者剩余的变化为780.42-949.15=-168.73万元/d。

b.阻塞导致区域A生产者剩余变化情况分析以上午09：00-10：00时间段为例，在无阻塞情况下，区域A节点电价为0.61元/kWh，售电量为645.8 MWh，存在阻塞的情况下，区域A节点电价为0.55元/k Wh，售电量为600 MWh。由阻塞导致的生产者剩余的减少为图6中阴影部分面积。区域A由阻塞带来的生产者剩余减少为3.66万元。

图6 09：00-10：00生产者剩余的减少

则阻塞盈余导致的区域A生产者剩余的变化为-55.23万元/d。

c.阻塞导致区域C生产者剩余变化情况。区域C生产者剩余无变化(区域C燃气轮机完全按照成本确定电价，无生产者剩余)。

d.阻塞导致社会总剩余变化情况。则因为阻塞的存在，导致社会总剩余减少168.77+55.23=224万元/d。

e.阻塞盈余再投资策略下社会总剩余变化。将阻塞盈余资金用于新建输电线路A-B，所需累计盈余资金天数为14 400÷210=68.57 d，即只需要将69 d的阻塞盈余资金累计到资金池后用于新建输电线路A-B，即可通过新输电线路消除阻塞盈余，带来社会福利增加224万元/d，实现全社会福利的帕累托改进。

4 结束语

电力现货市场中阻塞盈余的不同分配方式对社会福利的影响差异很大，简单将阻塞盈余按照金融输电权比例等方式返还用户无法解决阻塞问题，无法实现社会福利最大化。建立阻塞盈余资金池，将阻塞盈余投资电网建设以消除阻塞问题，可以实现帕累托改进，实现全社会福利最大化。

对于阻塞盈余设立的电网建设资金池，必须严格专款专用，专门针对产生阻塞的区域或走廊进行电网建设投资以消除阻塞，并严格向社会公开阻塞盈余资金池账目情况及具体投资情况，接受社会监督和政府监管。同时，应当用动态的、长远的视角看待阻塞盈余分配问题，伴随着网架结构的逐步完善，阻塞问题会逐渐减少，从而逐步实现全社会福利最大化，实现资源的最优化配置。